基于超导单光子探测器的红外光学系统噪声分析和优化

高灵敏度的红外探测系统对于远距离探测有巨大的潜力，但光学系统内部的噪声会抑制探测系统的信噪比，从而降低探测灵敏度与探测距离。

据麦姆斯咨询报道，近期，南京大学电子科学与工程学院超导电子学研究所和网络通信与安全紫金山实验室组成的科研团队在《物理学报》期刊上发表了以“基于超导单光子探测器的红外光学系统噪声分析和优化”为主题的文章。该文章第一作者为周飞，通讯作者为张蜡宝教授。

本文基于红外超导纳米线单光子探测器（SNSPD），设计了一个工作在中红外波段的光学系统，构建了红外光学系统自发辐射计算模型，理论分析了红外光学系统的信噪比和噪声特性。首次提出了利用高性能超导单光子探测器精确表征红外光学系统的微弱背景辐射光信号，为优化设计红外系统提供了依据。并且基于超导单光子探测器的光子计数能力，研究了光学系统的背景辐射对红外探测系统性能的影响，并优化了光学系统的性能。

红外SNSPD测量系统

制冷型红外探测系统具有灵敏度高、暗噪声低的优点，更加适用于远距离探测和背景辐射严重的场景探测。本文借助SNSPD的光子计数能力对光学系统的性能进行表征与分析。搭建的红外SNSPD的测量系统结构示意图如图1(a)所示，包含黑体源、光学系统、制冷机、SNSPD和电学读出部分组成。作为红外光源，黑体源采用的是MIKRON的M305红外光源，温度范围为100 - 1000℃。制冷机的三层窗口片均为在0.6 - 16 μm有较高透过率的硒化锌窗口片，制冷机结构由四层结构组成，为SNSPD提供可正常工作的超低温环境，四层制冷结构由外到内的温度分别为300 K、40 K、3 K和0.05 K。

SNSPD安装在制冷机的最内层0.05 K的制冷结构中，光敏区域的方向正对着窗口的方向。为减小能量损失，所有光学元件中心以及SNSPD的光敏区域的中心均在同一光轴上。黑体源被固定在气浮减震平台上以减小结构扰动带来的干扰，黑体辐射经过光学系统和四层窗口片后，聚焦耦合至SNSPD的光敏面上，SNSPD的光敏区域接收到光子后产生响应，并通过电学读出实现光子探测与光子计数。

图1 (a)红外SNSPD的测量系统结构示意图；(b)红外测量系统实物图

仿真分析与模型建立

高灵敏的红外探测系统可以具备很高的温度分辨能力，实现更加精密的热红外探测，相关探测灵敏度通常通过噪声等效温差（NETD）来表征。NETD象征着探测器能探测到的目标物体与背景之间的最小温差。若要提升探测系统的灵敏度，首先需要对探测系统的信噪比（SNR）和噪声特性进行分析。SNSPD通过光子计数率（PCR）来表征信号光的强度，PCR越大，信号光强度越大。背景计数率（BCR）用来表征背景辐射的强度。

黑体源产生的红外辐射在到达探测器光敏面之前，会经过光学系统和四层窗口片，故红外探测系统的自发辐射分为两部分，一部分是制冷机外部的光学系统带来的自发辐射，另一部分是制冷机窗口片带来的自发辐射。实验方案中的光学系统总共包含一个反射镜、一个耦合透镜和四层窗口片，本文以这六片镜片作为对象，建立光学系统自发辐射模型。

通过对光学系统中镜片的自发辐射的分析，得到了光学系统镜面自发辐射与红外探测光敏面上辐照度之间的关系，进而可以得到该红外SNSPD光学系统的自发辐射模型。

实验结果与分析

当温度变化ΔT时，NETD随着输出电压噪声的均方根的增大而增大，与ΔT内电压的变化量成反比。从提高红外探测系统的灵敏度出发，需要降低NETD的值，就需要降低NETD输出电压噪声的均方根，即降低光学系统的噪声对红外探测系统的影响，同时需要提高ΔT内输出电压的变化量，提高探测系统的信噪比。对于SNSPD而言，其光子计数能力对于定量的表征光学系统的噪声特性有着独特的优势。

如图1(b)所示为本方案的红外SNSPD空间测量系统实物图，黑体校准源出射口的直径大小为25.4 mm。黑体产生的红外光源经出射口到达反射镜，再经反射镜反射后经过透镜聚焦，并穿过四层窗口片后到达探测器的光敏区域。为保证光学系统的稳定性，从黑体源到制冷机最外层窗口之间采用25.3 mm的同轴光学系统。为了避免外界杂散辐射进入光学系统，本方案采用了可调节屏蔽套管来阻止外界杂散辐射的进入，从而确保BCR足够小。

本方案设计并制备了一个中红外SNSPD，器件采用双面抛光的硅衬底，并且在硅衬底上制备了一层MoSi超导薄膜，在超导薄膜上沉积了一层金作为SNSPD的电极，最终经过电子束曝光刻蚀出纳米线，图2(a)所示为该SNSPD的纳米线区域在SEM扫描电镜下的观测图。所制备的SNSPD的光敏面的大小为10 μm×10 μm，电流-电压特性曲线如图2(b)所示，器件的超导临界电流为3.2 μA。

图2 (a) SNSPD的SEM观测图（纳米线的线宽为30 nm）；(b) SNSPD的电流-电压特性曲线

首先，利用SNSPD的光子计数能力表征了光学系统带来的背景辐射，当黑体源关闭时，偏置电流固定在2.79 μA，在5 min内观测光子计数情况如图3(a)所示，5 min内探测系统的BCR波动较小，均值为1.0×10⁵ cps，均方根σBCR为454 cps，BCR和σBCR以光子数的形式定量表征了光学系统自发辐射所产生的背景噪声及其抖动，结果表明该光学系统本征热辐射较小，与仿真分析较为吻合。

图3 (a) 探测系统的BCR（200 s内的标准差为454 cps）；(b) 不同温度下的PCR和ΔPCR

对于光子计数型探测器而言，BCR的值越大，表明探测系统中的噪声越大，因此，要想提高探测系统的灵敏度，就要提高探测系统的SNR，一来通过提高探测系统的PCR来提高ΔPCR的值，二来是通过降低BCR，减小光学系统由于自发辐射带来的噪声。为了提高PCR，首先要确保光学系统的出射口的黑体辐射光斑与SNSPD的光敏区域尽可能同轴，从而保证较高的空间耦合效率。

由于SNSPD安装在制冷机最内层，无法实时观测SNSPD与光学系统出射口的耦合情况，仅有窗口区域允许制冷机内部与外界进行通信。然而较低的耦合效率会带来较大的能量损失，导致PCR的降低，从而影响SNSPD探测系统的NETD。SNSPD的光子分辨能力可以通过光子数定量的表征辐射源与SNSPD的光敏区域的空间耦合的情况，通过微调光学平台来移动光学系统和制冷机窗口的位置，实时观测PCR的变化，在水平面上向一固定方向平移2 mm的移动范围内，如图4(a)所示。

由于黑体源出腔口的大小远远大于探测器光敏面的大小，所以即使通过微调光学系统出射口与制冷机窗口的相对位置使光源与SNSPD的光敏面同轴，也会存在大量红外辐射传播至探测器光敏面之外的位置，导致大量的能量损失。为降低能量损失，使更多的红外辐射到达探测器光敏面，需要使用聚焦透镜来缩小黑体辐射的光斑，使得红外辐射被尽可能地耦合至探测器光敏区域，从而提高PCR。

图4 (a)和(b)：温度分别为100 ℃和102 ℃时，2 mm移动范围内PCR的变化情况；(c)和(d)：温度分别为100 ℃和102 ℃时，使用耦合透镜前后的PCR

为提升测量系统的SNR，除了提升PCR的数值，有效抑制BCR也尤为重要。在红外聚焦透镜的下方，利用两端长度可调节套管将其构成三明治结构，其中上层套管有两个作用，一来用于调节焦距，二来根据焦距调节聚焦透镜到制冷机窗口之间的长度，下层套管负责调节焦距和根据焦距调节聚焦透镜到反射镜的距离，从而确保光学系统的常温部分没有外界杂散辐射的引入。除了本文所采用的在常温部分通过屏蔽套管抑制外界杂散辐射外，制冷机内部设计也能大大降低BCR，可以通过在探测器前端增加一个效率为100%的冷阑，只允许探测目标的辐射通过该冷阑。还可以通过在制冷机最内层结构的内壁涂敷黑色金属图层，降低制冷机内部杂散辐射的干扰。

结论

SNSPD的光子计数能力是对红外光学系统噪声特性定量表征的一种新颖且重要的方式，对红外光学系统的发展具有重要的意义。本文理论分析了红外SNSPD光学系统的噪声的来源，并建立了基于SNSPD的红外光学系统的信噪比与背景辐射计算模型，首次提出了利用SNSPD表征红外光学系统的背景辐射强度，并且基于SNSPD的光子计数能力分析了SNSPD红外光学系统的性能与NETD和SNR的关系。实验表明SNSPD可识别的系统最小移动距离为2.74 × 10⁻² mm，并通过对光学系统的分析与优化，在黑体温度为100℃时，空间耦合效率提升了97%，信噪比提升了2.7倍，对高灵敏度的超导红外探测系统的研究具有一定的指导意义。

审核编辑：刘清